關(guān)于移動設(shè)備高效率充電的研究

摘 要：針對現(xiàn)在開關(guān)電源進行了研究與改進，主要改進體現(xiàn)在減小電路本身的損耗，并給出減小紋波的新方法。通過實際電路測試，該設(shè)計能夠在原有開關(guān)電源電路的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)更小的損耗，更高的效率，更穩(wěn)定的直流電壓。能夠為現(xiàn)代移動設(shè)備進行更高效率的電源供給，解決了現(xiàn)代充電系統(tǒng)充電效率低、能量浪費嚴重的問題。

關(guān)鍵詞：DC-DC；開關(guān)電源；紋波；效率

引言

在現(xiàn)代電子電力技術(shù)中，電源技術(shù)是重中之重，因為供電系統(tǒng)的質(zhì)量是整個系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提[1]。而在電源技術(shù)中，開關(guān)電源占有很重要的地位[2～5]。開關(guān)電源是以開關(guān)器件為核心器件，通過PWM波脈寬調(diào)制輸出量的電源系統(tǒng)。它把一種等級的電壓（電流）轉(zhuǎn)換為另一個等級的電壓（電流）[6，7]，分為升壓電路和降壓電路，應(yīng)用在不同的場合。文章所研究的電路是在簡單的DC-DC雙向變換電路的基礎(chǔ)上提出改進方法，使之能夠擁有更高的效率，更小的紋波。能夠應(yīng)用在手機、筆記本等充電設(shè)備。

1 開關(guān)器件損耗分析

在傳統(tǒng)boost-buck電路中，開關(guān)斷開期間利用續(xù)流二極管為電感續(xù)流，這種模式稱為異步整流方式，通常采用肖特基二極管，這種二極管在電壓降低時通路電阻比較大，損耗比較大。與之相比，MOSFET的通態(tài)電阻要小很多，帶來的損耗也相對較小，并且功率MOSFET管的對頻率響應(yīng)更快，輸入阻抗更高。所以，采用功率MOSFET代替?zhèn)鹘y(tǒng)肖特基二極管是一種有效減小功率損耗的辦法。

功率MOSFET的功耗主要由三個部分引起：寄生電容充放電損耗、通態(tài)電阻損耗和等效二極管導(dǎo)通損耗。

因為Cgd和Cgs的存在，對直流來說相當于斷路，使得從G端看去，輸入阻抗很大，D、S間的通態(tài)電阻表現(xiàn)為Rd和Rcha之和。

寄生電容損耗： 。其中，f為開關(guān)電源的頻率，C為寄生電容等效值，V為電容兩端等效電壓。

功率MOSFET通態(tài)電阻功耗：Pds=IRds其中，I0為通態(tài)電流（輸出負載電流），Rds是等效電阻，大小為：Rds=Rd+Rcha

等效二極管導(dǎo)通損耗：Pd=I0Vd。其中，I0為通態(tài)電流（輸出負載電流），Vd為二極管導(dǎo)通壓降。

在實際應(yīng)用中，功率MOSFET通態(tài)電阻功耗占主要部分，所以，下面的分析僅僅介紹通態(tài)損耗所帶來的影響以及解決辦法。

假設(shè)I0=2A，接下來對比功率MOSFET和續(xù)流二極管的功耗：

若采用續(xù)流二極管整流，消耗功率為：P=I0Vd=0.7I0=1.4W

若采用功率MOSFET代替續(xù)流二極管，消耗功率為：Prds=IRds=0.028W

由上式對比可知，單個MOSFET的功耗在同等條件下遠遠小于續(xù)流二極管的功耗，將其應(yīng)用在電路中將會大大提高變換器的效率。

2 元器件選擇

電路設(shè)計功能如下：

（1）buck模式，30V降為21V，電流穩(wěn)定在2A，電壓波動不超過0.5V。

（2）boost模式，21V升為30V，電流穩(wěn)定在2A，電壓波動不超過0.5V。

下面以buck模式為例進行分析。

電路采用PWM脈寬調(diào)制的方法實現(xiàn)雙向DCDC的功能，PWM脈沖產(chǎn)生采用TL494芯片，該芯片包含了開關(guān)電路所需要的全部功能。

電感值的計算，在側(cè)重點不同的時候，相應(yīng)的電感值計算方法也不同，這里采用折中的計算方法：L=（V_o（1-V_o/（V_in-V_on）））/（f*dI）

其中，Vin是輸入電壓，Vo是輸出電壓，f是開關(guān)頻率，Io是直流輸出電流，dI是紋波電，Von是開關(guān)器件導(dǎo)通壓降。

電容值的計算：C=V_0/8Ldl（1-D）/f^2。其中，L是濾波電感量，D是PWM波的占空比。

根據(jù)設(shè)計的要求，可求出電感L=2.5mH，電容C=450uF。

3 電路設(shè)計

采用同步整流的方法設(shè)計電路，使得電路本身功耗較小，但是用一片芯片同時驅(qū)動兩個開關(guān)管會使得脈沖電壓上升慢，造成兩只開關(guān)管同時導(dǎo)通，電路會瞬間短路，所以PWM波要經(jīng)過驅(qū)動電路才能驅(qū)動開關(guān)管穩(wěn)定工作。

驅(qū)動芯片選用IR公司生產(chǎn)的IR2110芯片，它兼有體積小、速度快的優(yōu)點。標準功耗1.25W，驅(qū)動電流可以達到2A，功耗低，驅(qū)動能力強。輸出為兩路互補波，中間有極小的死區(qū)存在，能有效的防止兩路功率管同時導(dǎo)通，增大了電路的安全性。

4 實驗結(jié)果分析

參數(shù)設(shè)置為Vin=30V，f=50kHz，L=2.5mH，C=420uF，結(jié)果表明，該電路能夠有效地減小紋波，使輸出電壓更穩(wěn)定。

功耗分析：輸入功率為：30V*2A=60W

功率管損耗功率為：Pr=4IRds=0.007W

其中Is為單個功率管通過的電流。驅(qū)動電路的標準功耗為1.25W，忽略其他損耗，則整個電路的損耗為1.257W，經(jīng)計算，整個電路的效率可以達到97.9%。

5 結(jié)束語

對傳統(tǒng)DCDC電路進行改進，得到一種性能優(yōu)良的電路，測試數(shù)據(jù)表明，該電路能夠在參數(shù)設(shè)置的范圍實現(xiàn)穩(wěn)定的輸出電壓、高效的輸出效率，并能夠抑制紋波，使之比參數(shù)設(shè)置時更小。實驗結(jié)果表明，采用多只功率管并聯(lián)的方法能夠有效地減小因功率管所產(chǎn)生的損耗。

參考文獻

[1]楊玉崗，寧浩軒，李濤，等.雙向DC/DC變換器輕載損耗和效率最優(yōu)化分析[J].電源技術(shù)，2015，11（39）：2527-2528.

[2]吳愛國，李際濤.DC-DC變換器控制方法研究現(xiàn)狀[J].電力電子技術(shù)，1999，2：1-2.

[3]孫偉杰，王武，楊富文.PWM型DC-DC開關(guān)變換器研究綜述[J].電源技術(shù)，2006.

[4]張春紅，楊海鋼，史傳進，等.一種帶動態(tài)開關(guān)控制電路的開關(guān)式DC-DC轉(zhuǎn)換器[J].電子與信息學(xué)報，2013，12（35）：1-5.

[5]李喬，吳捷.自抗擾控制及其在DC-DC變換器中的應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報，2005，1（20）：1-2.

[6]李建飛，徐至新，鐘和清.具有恒壓限流和恒流限壓功能的DC-DC變換器[J].電力電子技術(shù)，1999，1：1-2.

[7]趙益波，羅曉曙，方錦清，等.電壓反饋型DC_DC變換器的穩(wěn)定性研究[J].物理學(xué)報，2005，11（54）：1-4.